No vasto jardim do universo, os buracos negros mais pesados ​​cresceram a partir de sementes. Alimentados pelo gás e poeira que consumiram, ou mesclando-se com outros objetos densos, essas sementes cresceram em tamanho e peso para formar os centros das galáxias, como a nossa Via Láctea. Mas, ao contrário do reino das plantas, as sementes de buracos negros gigantes devem ter sido buracos negros, também. E ninguém jamais encontrou essas sementes - ainda.

Uma ideia é que buracos negros supermassivos - o equivalente a centenas de milhares a bilhões de Sóis em massa - cresceram de uma população de buracos negros menores que nunca foram vistos. Este grupo indescritível, os "buracos negros de massa intermediária, "pesaria algo entre 100 e 100, 000 Suns. Entre as centenas de buracos negros encontrados até agora, houve muitos relativamente pequenos, mas nenhum com certeza no "deserto" de massa intermediária.

Os cientistas estão trabalhando com poderosos telescópios espaciais da NASA, bem como outros observatórios, para rastrear objetos distantes que se encaixam na descrição dessas entidades exóticas. Eles encontraram dezenas de candidatos possíveis e estão trabalhando para confirmá-los como buracos negros. Mas mesmo se eles fizerem, isso abre um novo mistério:como os buracos negros de massa intermediária se formaram?

"O que é fascinante, e por que as pessoas passaram tanto tempo tentando encontrar esses buracos negros de massa intermediária, é porque ele lança luz sobre os processos que aconteceram no início do universo - quais eram as massas de buracos negros relíquias, ou novos mecanismos de formação para buracos negros que ainda não pensamos, "disse Fiona Harrison, professor de física na Caltech em Pasadena, Califórnia, e investigador principal da missão NuSTAR da NASA, que é gerenciado pelo Laboratório de Propulsão a Jato.

Buraco Negro 101

Um buraco negro é um objeto extremamente denso no espaço do qual nenhuma luz pode escapar. Quando o material cai em um buraco negro, não tem saída. E quanto mais um buraco negro come, quanto mais ele cresce em massa e tamanho.

Os menores buracos negros são chamados de "massa estelar, "com entre 1 e 100 vezes a massa do Sol. Eles se formam quando as estrelas explodem em processos violentos chamados supernovas.

Buracos negros supermassivos, por outro lado, são as âncoras centrais de grandes galáxias, por exemplo, nosso Sol e todas as outras estrelas da Via Láctea orbitam um buraco negro chamado Sagitário A * que pesa cerca de 4,1 milhões de massas solares. Um buraco negro ainda mais pesado - com espantosos 6,5 bilhões de massas solares - serve como a peça central da galáxia Messier 87 (M87). O buraco negro supermassivo de M87 aparece na famosa imagem do Event Horizon Telescope, mostrando um buraco negro e sua "sombra" pela primeira vez. Esta sombra é causada pelo horizonte de eventos, o ponto sem retorno do buraco negro, curvando e capturando luz com sua forte gravidade.

Buracos negros supermassivos tendem a ter discos de material ao seu redor, chamados de "discos de acreção, "feito de extremamente quente, partículas de alta energia que brilham à medida que se aproximam do horizonte de eventos - a região sem retorno do buraco negro. Aqueles que fazem seus discos brilharem porque comem muito são chamados de "núcleos galácticos ativos".

A densidade da matéria necessária para criar um buraco negro é estonteante. Para fazer um buraco negro com 50 vezes a massa do Sol, você teria que embalar o equivalente a 50 sóis em uma bola com menos de 200 milhas (300 quilômetros) de diâmetro. Mas, no caso da peça central do M87, é como se 6,5 bilhões de Sóis fossem comprimidos em uma bola mais larga do que a órbita de Plutão. Em ambos os casos, a densidade é tão alta que o material original deve entrar em colapso em uma singularidade - um rasgo no tecido do espaço-tempo.

A chave para o mistério das origens dos buracos negros é o limite físico de quão rápido eles podem crescer. Mesmo os monstros gigantes no centro das galáxias têm limitações em seus frenesis de alimentação, porque uma certa quantidade de material é empurrada para trás pela radiação de alta energia proveniente de partículas quentes aceleradas perto do horizonte de eventos. Apenas comendo o material circundante, um buraco negro de baixa massa só pode dobrar sua massa em 30 milhões de anos, por exemplo.

"Se você começar com uma massa de 50 massas solares, você simplesmente não pode aumentá-lo para 1 bilhão de massas solares ao longo de 1 bilhão de anos, "disse Igor Chilingarian, um astrofísico do Observatório Astrofísico Smithsonian em Cambridge, Massachusetts, e a Universidade Estadual de Moscou. Mas "como sabemos, existem buracos negros supermassivos que existem menos de 1 bilhão de anos após a formação do universo. "

Como fazer um buraco negro que você não consegue ver

No início da história do universo, a semente de um buraco negro de massa intermediária poderia ter se formado a partir do colapso de um grande, nuvem de gás densa ou de uma explosão de supernova. As primeiras estrelas que explodiram em nosso universo tinham hidrogênio puro e hélio em suas camadas externas, com elementos mais pesados ​​concentrados no núcleo. Esta é uma receita para um buraco negro muito mais massivo do que a explosão de estrelas modernas, que são "poluídos" com elementos pesados ​​em suas camadas externas e, portanto, perdem mais massa por meio de seus ventos estelares.

"Se estamos formando buracos negros com 100 massas solares no início do universo, alguns deles devem se fundir, mas você basicamente deve produzir uma ampla gama de massas, e então alguns deles ainda devem estar por aí, "disse Tod Strohmayer, astrofísico do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. "Então, onde eles estão se eles se formaram? "

Uma pista de que buracos negros de massa intermediária ainda podem estar lá fora veio do Observatório de Ondas Gravitacionais de Interferômetro de Laser da National Science Foundation (LIGO), uma colaboração entre Caltech e o Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Detectores LIGO, combinado com uma instalação europeia na Itália chamada Virgo, estão revelando muitas fusões diferentes de buracos negros por meio de ondulações no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais.

Em 2016, O LIGO anunciou uma das descobertas científicas mais importantes da última metade do século:a primeira detecção de ondas gravitacionais. Especificamente, os detectores baseados em Livingston, Louisiana, e Hanford, Washington, captou o sinal de fusão de dois buracos negros. As massas desses buracos negros - 29 e 36 vezes a massa do Sol, respectivamente - cientistas surpresos. Embora estes ainda não sejam tecnicamente de massa intermediária, eles são grandes o suficiente para levantar sobrancelhas.

É possível que todos os buracos negros de massa intermediária já tenham se fundido, mas também que a tecnologia não foi ajustada para localizá-los.

Então, onde eles estão?

Procurar buracos negros no deserto de massa intermediária é complicado porque os próprios buracos negros não emitem luz. Contudo, os cientistas podem procurar sinais indicadores específicos usando telescópios e outros instrumentos sofisticados. Por exemplo, porque o fluxo de matéria em um buraco negro não é constante, a aglomeração do material consumido causa certas variações na emissão de luz no ambiente. Essas mudanças podem ser vistas mais rapidamente em buracos negros menores do que em buracos maiores.

"Em uma escala de tempo de horas, você pode fazer a campanha de observação que para os núcleos galácticos ativos clássicos leva meses, "Disse Chilingarian.

O candidato a buraco negro de massa intermediária mais promissor é chamado HLX-1, com uma massa de cerca de 20, 000 vezes o do Sol. HLX-1 significa "Fonte 1 de raios-X hiperluminosa, "e sua produção de energia é muito maior do que a de estrelas semelhantes ao Sol. Foi descoberto em 2009 pelo astrônomo australiano Sean Farrell, usando o telescópio espacial de raios X XMM-Newton da Agência Espacial Europeia. Um estudo de 2012 usando os telescópios espaciais Hubble e Swift da NASA encontrou sugestões de um aglomerado de jovens estrelas azuis orbitando este objeto. Pode ter sido o centro de uma galáxia anã que foi engolida pela galáxia maior ESO 243-49. Muitos cientistas consideram o HLX-1 um buraco negro comprovado de massa intermediária, Harrison disse.

"As cores da luz de raios-X que ele emite, e apenas a maneira como se comporta, é muito semelhante a um buraco negro, "Harrison disse." Muitas pessoas, incluindo meu grupo, têm programas para encontrar coisas que se parecem com HLX-1, mas até agora nenhum é consistente. Mas a caça continua. "

Objetos menos brilhantes que poderiam ser buracos negros de massa intermediária são chamados de fontes ultraluminosas de raios-X, ou ULXs. Um ULX piscante chamado NGC 5408 X-1 tem sido especialmente intrigante para os cientistas que procuram buracos negros de massa intermediária. Mas os observatórios de raios-X NuSTAR e Chandra da NASA surpreenderam os cientistas ao revelarem que muitos objetos ULX não são buracos negros. Em vez de, são pulsares - remanescentes estelares extremamente densos que parecem pulsar como faróis.

M82 X-1, a fonte de raios-X mais brilhante da galáxia M82, é outro objeto muito brilhante que parece piscar em escalas de tempo consistentes com um buraco negro de massa intermediária. Essas mudanças no brilho estão relacionadas à massa do buraco negro e são causadas por material orbitando perto da região interna do disco de acreção. Um estudo de 2014 analisou variações específicas na luz de raios-X e estimou que o M82 X-1 tem uma massa de cerca de 400 sóis. Os cientistas usaram dados de arquivo do satélite Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) da NASA para estudar essas variações de brilho de raios-X.

Mais recentemente, os cientistas investigaram um grupo maior de possíveis buracos negros de massa intermediária. Em 2018, Chilingarian e colegas descreveram uma amostra de 10 candidatos reanalisando dados ópticos do Sloan Digital Sky Survey e comparando os prospectos iniciais com dados de raios-X de Chandra e XMM-Newton. Eles agora estão fazendo o acompanhamento com telescópios terrestres no Chile e no Arizona. Mar Mezcua do Instituto de Ciências Espaciais da Espanha liderou um estudo separado de 2018, também usando dados do Chandra, encontrar 40 buracos negros em crescimento em galáxias anãs que poderiam estar nessa faixa especial de massa intermediária. Mas Mezcua e colaboradores argumentam que esses buracos negros se formaram originalmente no colapso de nuvens gigantes, e não em explosões estelares.

Qual é o próximo

Galáxias anãs são lugares interessantes para continuar procurando porque, em teoria, sistemas estelares menores podem hospedar buracos negros de massa muito menor do que aqueles encontrados nos centros de galáxias maiores como a nossa.

Os cientistas também estão pesquisando aglomerados globulares - concentrações esféricas de estrelas localizadas nos arredores da Via Láctea e de outras galáxias - pelo mesmo motivo.

"Pode ser que existam buracos negros assim, em galáxias como essa, mas se eles não estão agregando muita matéria, pode ser difícil vê-los, "Strohmayer disse.

Caçadores de buracos negros de massa intermediária aguardam ansiosamente o lançamento do Telescópio Espacial James Webb da NASA, que vai olhar de volta para o amanhecer das primeiras galáxias. Webb ajudará os astrônomos a descobrir o que veio primeiro - a galáxia ou seu buraco negro central - e como esse buraco negro pode ter sido montado. Em combinação com observações de raios-X, Os dados infravermelhos de Webb serão importantes para identificar alguns dos candidatos a buracos negros mais antigos.

Outra nova ferramenta lançada em julho pela agência espacial russa Roscosmos é chamada Spectrum X-Gamma, uma espaçonave que fará a varredura do céu em raios-X, e carrega um instrumento com espelhos desenvolvido e construído com o Marshall Space Flight Center da NASA em Huntsville, Alabama. As informações de ondas gravitacionais que fluem da colaboração LIGO-Virgo também ajudarão na pesquisa, assim como a missão planejada da Agência Espacial Européia para Antena Espacial com Interferômetro de Laser (LISA).

Esta frota de novos instrumentos e tecnologias, além dos atuais, ajudará os astrônomos enquanto eles continuam a vasculhar o jardim cósmico em busca de sementes de buracos negros, e galáxias como a nossa.